作者/陈启云|中央空间科学与工程系作者/林彦星|大清大理大学学士班，试图在阴沟里仰望星空20年磨一剑，科学家和天文迷们翘首以盼的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)，终于确定于2021年12月18日发射。作为人类下一个旗舰太空望远镜，JWST配备了最先进的科学仪器。在本系列的上一篇文章：《史上最大口径的 JWST 要如何塞进火箭？》中，我们详细介绍了这些仪器和望远镜镜头组件。本章我们继续分析JWST号是如何在一个月内从升空到运行到天文观测的风水宝地——拉格朗日点的。
詹姆斯韦伯望远镜将在L2运行。图/美国宇航局/阿德里亚娜曼里克古铁雷斯。
被引力遗忘的角落
在刘的经典科幻小说《三体》中，三人组居住的星球围绕着三颗质量相近的恒星旋转。因为这三颗恒星的运行轨迹是完全不可预测的，虽然三体人拥有极其先进的数学和科技，却始终无法解决这个“三体问题”，导致他们的文明毁灭无数次。
事实上，三体也是物理学中的一个大问题。其中，18世纪的两位数学家莱昂哈德保罗欧拉和约瑟夫拉格朗日对三体做出了重要贡献。他们找到了“受限三体”的五种特殊解法：当三个天体(如太阳、地球和太空望远镜)中的一个质量可以小到不合时宜时，可以在太空中找五个地方把它放入这个天体，可以和另外两个相比。这五个点叫做拉格朗日点。
由于拉格朗日点的物理特性，探测器可以在这里停留很少的燃料，这使得拉格朗日点在空间探索中具有很大的价值。到目前为止，已经有十几个人类探测器到达了拉格朗日点，包括著名的太阳和太阳圈探测器(SOHO)、威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)等人类航天史上的重要卫星。詹姆斯韦伯望远镜，这一系列文章的主角，也将跟随前人的脚步，前往日地连接上的拉格朗日点L2执行任务。
在日地系统的L2上，太阳、地球和月球位于同一侧，这使得L2上的探测器只需要想办法遮挡一侧的太阳光，就能达到降温和消除光害的效果。因此，L2成为放置太空望远镜的好地方，也是韦伯望远镜的最佳地点。
日地系统中的五个拉格朗日点。图/NASA/WMAP科学团队。折叠后的
欧洲最可靠的重型运载火箭——亚利安五号
JWST高10余米，宽4.5米，重6.2吨。将这样一台大型科学仪器送到距离地球150万公里的L2，比发射到近地轨道的哈勃望远镜要困难得多。这项艰巨的任务将交给阿丽亚娜5号运载火箭(Ariane 5)。阿丽亚娜-5是欧洲航天局研制的重型运载火箭。从2009年到2013年，阿丽亚娜5号发射了环绕L2轨道运行的赫歇尔空间望远镜和普朗克空间天文台。此外，还成功发射了100多颗地球轨道卫星，成绩突出且稳定。
Lian-5由第一枚火箭的Vulcain 2和两个固体助推器提供动力，将带领火箭离开地表。火箭上部由二级火箭和有效载荷舱组成，整流罩包裹在二级火箭和有效载荷舱外面。二级火箭的主要作用是提供火箭第一节分离后继续前进和转弯的动力；专门为这次任务制造的超大整流罩可以防止韦伯望远镜在火箭发射过程中受到热、振动、风压或快速变化的气压的损坏。
2021年9月初，阿丽亚娜-5的主要部件已交付给法属圭亚那发射场。包括主发动机、二级火箭和有效载荷舱，将开始组装和测试，固体辅助火箭等剩余部件将陆续到达。直到发射前一周，火箭主体全部装备完毕，JWST将被装入有效载荷舱并安装整流罩。最后，在发射前夕，阿丽亚娜-5和韦伯望远镜从发射台上安装在发射架上。
一切准备就绪，只等发射台再次响起，这代表着人类进步的倒计时。
Dix，Neuf，Huit，Sept，Six，Cinq，Quatre，Trois，Deux，Un，Zro，…发射！
图/欧空局/CNES/阿丽亚娜航天公司-CSG光学视频公司P.prion
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发射时，两枚固态辅助火箭和主火箭提供火箭升空的推力。两只辅助火箭只能提供 130 秒的动力，会最先耗尽燃料，并脱离火箭主体以减少重量。接着，当韦伯望远镜抵达较稀薄的高层大气后，空气阻力变得微乎其微，就不再需要整流罩的额外保护了。此时，整流罩将会分为两瓣脱落，露出酬载仓里的 JWST。
接下来，主火箭将独自推进直到离开大气层。发射后 9 分钟，主火箭脱离。主火箭脱离后第二节火箭不会马上点火，而是先带着 JWST 绕行至大西洋上空，让火箭在大致指向 L2 时点火，开始往目的地加速。为了避免韦伯望远镜因过热而损坏，第二节火箭会一直调整方向，确保火箭一直正对太阳，最大程度上减少望远镜的受光量、为 JWST 抵挡一部分阳光。发射后 27 分钟，第二节火箭脱离，并利用最后一点燃料避开韦伯望远镜的路径。
自此，一路被亚利安火箭守护的韦伯望远镜，终于要独自开始它的太空之旅。
詹姆士．韦伯的太空漂流之旅
要在太空中展开一个网球场大的望远镜，对温度控制和机械结构的挑战很高，所以 JWST 的展开将会非常缓慢，也非常壮观。韦伯望远镜与亚利安火箭分离后，首要任务是和地面建立联繫，太阳能板和天线会在发射后 24 小时内展开，建立韦伯在太空中定位和飞行的能力，也停止消耗电池电量，为后续各构造的展开做準备。
首先要展开的是摺叠于支架上的遮阳帆 （Sunshield） ，放下前后遮阳帆支架后，JWST 核心的伸缩塔会把镜组抬升约 2 公尺，提供 遮阳帆完全展开的空间。接下来，左右舷的伸缩机械臂依序将左右剩余的遮阳帆拉出。部属遮阳帆的最后一步是拉紧薄膜，这五层厚度比头髮还细的薄膜，各自有不同的大小和形状，将五层薄膜分离至特定的位置才能彻底展开，发挥遮阳的作用。
遮阳帆展开后，JWST 大约会花五天的时间降温到其最终操作温度，在遮阳帆作用下，遮阳帆阴影中的镜组能降温到摄氏 -200 度以下。发射后 11天，背光面已经足够低温，是时候展开韦伯望远镜最后的展开工作 ── 镜组展开。首先，次镜慢慢从主镜上方放下，并固定到位。接着，位于主镜后方的散热器展开，用于处理多余的热量，对 JWST 这种红外线任务来说，这项功能任务至关重要，避免蒐集的讯号淹没在热造成的杂讯中。最后，主镜的两翼固定到位，完成詹姆士．韦伯望远镜的全部展开工作。然而展开工作完成后，韦伯望远镜离开始运作仍有很长的路要走。
主镜固定到位后，JWST 要继续在太空中漂流约两周，才会启动推进器，转向进入 L2 轨道。值得一提的是，JWST 不会正好在 L2 点，而是以 6 个月为周期围绕着 L2 运行，称为「晕轮轨道（Halo Orbit）」。在晕轮轨道上，维持轨道所需的动力较少，这让韦伯望远镜携带少量燃料就能在轨道上运作超过 5 年。与每隔 90 分钟进出地球阴影的哈伯望远镜不同，运行于晕轮轨道能让韦伯远离地球的阴影，从而确保其太阳能板能持续供电，观测也不会受到地球的遮挡。
韦伯望远镜进入 L2 轨道后，科学团队将开启长达半年的仪器调整与校正，包括 18 块主镜的对焦微调、四大酬载的拍摄测试等等。如果一切顺利，我们有机会在明年暑假前，看到詹姆士．韦伯望远镜的开光照，一窥这只太空巨兽的火力。相信届时 NASA 能说服我们，这二十年的等待是值得的。
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